Grundlagen/Kühlung

Die Kühlung entzieht einem Gebäude oder Raum Wärme, damit die Raumtemperatur an heißen Tagen oder bei hohen inneren und solaren Lasten unter einem gewünschten Wert bleibt. Sie kommt dort zum Einsatz, wo ein frei laufendes Gebäude den sommerlichen Komfort nicht mehr hält – in Büros, im Handel, in Hotels oder in gut gedämmten Wohngebäuden mit großen Fensterflächen. Die Kälte liefert häufig dieselbe Wärmepumpe, die im Winter heizt: reversibel betrieben, kehrt sie ihren Kältekreislauf um und gibt die dem Raum entzogene Wärme an die Umgebung ab.

Funktionsprinzip

Die Kühllast ist der Wärmestrom, den ein Raum bei Auslegungsbedingungen – dem wärmsten zu erwartenden Tag – abführen muss, damit die Raumtemperatur einen Kühlsollwert nicht übersteigt; sie setzt sich aus Transmission, Sonneneinstrahlung durch Fenster und inneren Lasten (Personen, Beleuchtung, Geräte) zusammen; zu dieser sensiblen Last kommt eine latente, wenn die Raumluft zusätzlich entfeuchtet wird. Der Kältebedarf ist die Jahressumme der abgeführten Wärme. Eine reversible Wärmepumpe erzeugt die Kälte, indem sie ihren Kältekreislauf umkehrt: Sie entzieht dem Kaltwasserkreis Wärme und gibt sie über den Verflüssiger an eine wärmere Umgebung ab – Außenluft, Erdreich oder Grundwasser als Wärmesenke. Im Raum übergibt eine Kühldecke oder Flächenkühlung die Kälte über eine große, nur leicht abgekühlte Fläche, ein Gebläsekonvektor über eine kleine, ventilatorunterstützte Fläche mit deutlich tieferem Kaltwasser-Vorlauf.

EER im Kühlbetrieb über der Außentemperatur

EER (Beispielwerte)

5,0

20 °C

4,0

27 °C

3,0

35 °C

2,5

40 °C

Außentemperatur (Wärmesenke der Kälteerzeugung)

EER im Kühlbetrieb

Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Reversible Wärmepumpe: Flächenheizung im Winter, Kühldecken im Sommer. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Kennzahlen

Kennzahl	Bedeutung	typischer Bereich
Kühllast	sensibler Wärmestrom am Auslegungstag, in kW	wenige kW (Wohnhaus) bis mehrere 100 kW (großes Bürogebäude)
Kältebedarf	Jahressumme der abgeführten Kälte, in kWh/a	einige 100 bis mehrere 100 000 kWh/a, je nach Gebäudegröße und Klima
EER (Energy Efficiency Ratio)	Kälteleistung geteilt durch elektrische Leistungsaufnahme im Kühlbetrieb, am Auslegungspunkt	rund 2 bis 5
SEER (Seasonal EER)	über eine Kühlsaison mit Teillast und wechselnder Außentemperatur gemittelte Leistungszahl	häufig höher als der EER am Auslegungspunkt, weil die meisten Stunden milder und mit Teillast laufen
Kaltwasser-Vorlauf/-Rücklauf	Temperatur des Kühlmediums zur/von der Übergabe, in °C	Kühldecke/Flächenkühlung rund 14 bis 18/17 bis 21 °C, Gebläsekonvektor rund 6 bis 9/11 bis 14 °C
Taupunkt	Temperatur, ab der Raumluft an einer kälteren Fläche Feuchte ausscheidet, in °C	häufig 12 bis 17 °C, abhängig von Raumtemperatur und -feuchte

Typische Größen

Einsatzfall	Richtwert Kühllast	Bemerkung
Einfamilienhaus (Neubau)	rund 15 bis 25 W/m² Wohnfläche	meist nur bei großen Fensterflächen oder hohem Komfortanspruch genutzt
Mehrfamilienhaus	rund 20 bis 30 W/m² Wohnfläche	seltener gekühlt als stark verglaste Einzelgebäude
Bürogebäude, Gewerbe	rund 40 bis 80 W/m² Nutzfläche	höhere innere Lasten durch Personen, Beleuchtung und Geräte

Teillast und Takten der Kältemaschine

Eine Kältemaschine liefert ihre Nennleistung nur bei Volllast; im Betrieb läuft sie meist darunter. EPOS-Plan rechnet das Teillastverhalten auf Wunsch je Gerät, mit der Teillastrechnung linear oder Kurve.

Teillastkurve. Die Kurve setzt den Strombedarf bei Teillast ins Verhältnis zur Volllast: E(x) = (a + b·x + c·x²) / (a + b + c) mit dem Lastgrad x (Last durch verfügbare Kälteleistung). Bei x = 1 ist E = 1. Der Verlauf gilt als plausibel, wenn das Verhältnis x / E(x) zwischen 0,3 und 2,0 liegt. Geprüft wird ab der Grenze Kurve gültig ab Lastgrad x_u, mindestens ab x = 0,1; ist x_u leer, gilt die Mindestteillast. Vorgabekurven je Verdichterregelung (Ein/Aus, Stufen, Drehzahl) liegen im Programm.

Mindestteillast und Taktverlust. Unterhalb der Mindestteillast (Nennleistung mal Mindestteillast) kann die Maschine nicht weiter modulieren; sie taktet. Der Taktverlustfaktor C_d (Vorgabe 0,9) bestimmt den Mehrstrom des Taktens, jeder Anlauf zählt als Start, und der Mehrstrom erscheint als eigener Taktstrom.

Kennfeldrand. Liegen Kaltwasser- oder Rückkühltemperatur außerhalb der Stützpunkte, hält Randwert den Wert am Rand. Gütegrad bestimmt den Gütegrad der Maschine im Randpunkt als Verhältnis zum Carnot-Wert und führt ihn bis höchstens 10 K über den Rand fort; der EER bleibt bei 15 gedeckelt.

Folgeschaltung. Stehen mehrere gleiche Maschinen bereit, laufen n = ⌈Last / Q_av⌉ Maschinen, mit Q_av als verfügbarer Kälteleistung einer Maschine. Die Last teilen sie gleichmäßig; so bleibt der Lastgrad jeder laufenden Maschine hoch.

Die Bedienung beschreibt Programm Dokumentation Kühlung.

Einsatz und Grenzen

Kühlung passt dort, wo solare und innere Lasten oder ein hoher Komfortanspruch ein frei laufendes Gebäude sommerliche Grenzwerte überschreiten lassen: Büro- und Verwaltungsbauten, Verkaufsflächen, Hotels, Rechenzentren und zunehmend auch gut gedämmte Wohngebäude mit großen Glasflächen. Kühldecken und Flächenkühlung kühlen sensibel: Sie senken die Lufttemperatur, entziehen ihr aber keine Feuchte. Der Kaltwasser-Vorlauf einer Flächenkühlung darf deshalb den Taupunkt der Raumluft nicht unterschreiten – sonst schlägt sich an der kühlen Fläche Tauwasser nieder; das begrenzt ihre Leistung nach unten. Soll die Kühlung auch entfeuchten, braucht es tiefere Vorlauftemperaturen mit Kondensatabfuhr, wie sie ein Gebläsekonvektor oder eine Lüftungsanlage liefert. Als freie Kühlung bezeichnet man das Abführen von Wärme ohne Kälteerzeuger, allein über eine Quelle, die kälter als der Raum ist – etwa Nachtluft oder ein Erdreich- oder Grundwasserkreis; sie wirkt nur, solange diese Quelle zuverlässig kühler bleibt als der Kühlkreis, und stößt bei anhaltender Hitze an ihre Grenze.

In EPOS-Plan

In EPOS-Plan schaltet der Schalter Kühlung rechnen in der Simulationskonfiguration (Menü Projekt → Simulation…, Block Weitere Einstellungen) die Kälteberechnung für das ganze Projekt ein. Am einzelnen Gebäude schaltet der Gebäudedialog die Kühlung mit Gebäude wird gekühlt in der Gruppe Kühlung ein; den Kühlsollwert trägt sein Reiter Konditionierung in der Spalte Kühlen – als einen Wert für alle Stunden oder als Zeitprogramm mit Nacht-, Wochenend- und Ferienwert, Kühlperiode und Kühlkalender. Gedeckt wird der Kältebedarf von einer Wärmepumpe im Kühlbetrieb: Ihre Gruppe Kühlbetrieb steht an der Erzeugerkarte der Wärmepumpe in der Simulationskonfiguration oder in der „Wärmepumpen Verwaltung", jeweils hinter dem Knopf Konfiguration….

Einbindung, ein Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Technologien und die Fallstricke stehen auf der Anwendungsseite: Einbindung · Beispiel · Zusammenspiel · Fallstricke.

Siehe auch

• Programm Dokumentation/Kühlung – Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke in EPOS-Plan
• Grundlagen/Wärmepumpe – Funktionsprinzip und Kennzahlen des Heizbetriebs derselben Maschine
• Programm Dokumentation/Gebäudemodell VDI 6007 – das Gebäudemodell, das Heiz- und Kühllast stündlich rechnet

Grundlagen

• Klimadaten
• Wärmebedarfsrechnung
• Strombedarf und Lastprofile
• Brauchwasser
• Prozesswärme
• Gebäudemodell VDI 6007
• Bauteile am Erdreich
• Brauchwasser-Zapfprofile
• Gemeinjahr und Feiertage
• Wärmepumpe
• Wärmequelle Erdreich
• BHKW
• Solarkollektoren
• Photovoltaik
• Wechselrichter
• Kessel und Spitzenlast
• Kühlung
• Pufferspeicher
• Stromspeicher
• Hydraulikschemata
• Anlagenkopplung und Regelung
• Vergleich Energiebilanz
• Kostenrechnung
• Erlösrechnung
• Wirtschaftlichkeitsrechnung